可频谱分析的示波器

一．功能简介

示波器基于basys3实验开发板，最大可实现32MSPS的数据显示，2048位傅里叶变换，得到的数据和采集到的波形显示在显示器，通过basys3上面的开关，按钮控制显示分度值，和坐标上下移动。

通过外置无线模块进行数据传输导另一块开发板上，可以传输频率，幅值等数据，实现远程操控，远程控制，远程测量，并且还有一个蓝牙模块，可以将数据传输至手机APP，可以查看相应的数据，是一个具有实际应用功能的应用，若是后期搭配其他零部件可以实现远程实验室，在线医疗，联网检测等设备的应用。

二．系统框图

图 1

系统框图如图1所示，首先我们采用AD模块将模拟信号数字化，当外部信号发生器无法正常工作室，我们可以切换导内部DDS进行信号的产生，然后将采样到或者发生的8位宽的数据分别送到波形存储RAM和傅里叶变换的FIFO里面，傅里叶变换模块计算后的数据存储到FFT数据存储区域，通过显示控制模块来进行显示。同时中央控制模块通过蓝牙将一些波形数据发送老手机上，可以实时检测。

三．模块介绍

a)AD采样模块

我们使用的是黑金科技的告诉ADDA数据采集板，高速AD 芯片是由AD 公司推出的8 位，最大采样率32MSPS 的AD9280 芯片。内部结构图如图3所示。接

口的输入范围是-5V~+5V(10Vpp)。衰减以后，输入范围满足AD 芯片的输入范围

（0~2V）。可以通过图2所示的公式来计算测量出来的值，以便将电压数据还原回去。

就可以得到测量的电压值

】

图2

图3

b)Xilinx FFT核及相关数据处理模块

FFT 核

实部平方

虚部平方开方求模

FIFO核

图4

快速傅里叶变换计算流程图如图4所示

根据数字信号处理与实现的学习，我们知道有限长离散信号X（n）的DFT 可以定义为：

图5

FFT数据输出后我们可以获得数据的实部和虚部，然后用两个乘法IP和一个开方IP完成求模的工作。

i.）

ii.FIFO模块

FIFO模块通过调用FIFO Generator，如图4所示，实现数据缓冲作用，由于FFT进行计算是需要时间的，但是外部的数据数据是一直进来，所以我们需要建立一个FIFO达到数据缓冲的作用，防止处理的时间过长，造成出具的丢失，从而对输出的波形产生影响。FIFO使用Block RAM进行建立，这样占用板子资源比较小，为别的模块处理数据提供了方便。

FIFO模块一共有9个IO口，没有地址引脚，并提供了FIFI满，FIFI空信号的输出，可以为FFT控制FIFO的读写提供了便利，这样就可以精确的控制数据的流量，从而得出正确的数值。

图6

iii.X FFT模块

快速傅里叶变换（Fast Fourier transform）IPCore采用xilinx公司版本的IPCore，最大可实现65536深度的傅里叶运算，我们这次采用的是2048位的傅里叶变换，效果好，占用资源也比较少，模块如图7所示。

图7

iv.求模运算

{

众所周知，乘法是一个很消耗系统时钟的一种运算，我们不能简单的写一个乘号去完成我们这里的乘法运算，为了提高我们程序的运行速度，我们在这

里调用xilinx的逻辑运算IP核。

图8

图9

如图所示，图9是一个23位宽的乘法器，最终输出46位的数据，然后送到图9所示的开方模块，进行运算，得出23位宽的数据，最终将数据传输

至FFT数据存储RAM中，完成对连续时间的采样数据进行快速傅里叶变换，

可以到到输入波形的频谱图，通过VGA显示模块进行显示出来，与原来的输

入波形作对比。

c)VGA显示模块

预期显示效果如图10所示，屏幕显示背景为红色（可修改）波形显示区域为黑底白字，上面有白色的格子，用于辨识刻度；快速傅里叶变换后的波形显示在下面，黑底绿字，同时也是有白色格子，用于辨识刻度，窗口构建合乎比例，符合人的审美习惯。

】

波形显示区域

FFT数据显示区域

图8

VGA模块采用800*600分辨率进行显示，可以通过查找数据表得到他的时序表，如图4所示，就可以写出接口时序，使用判断语句进行颜色的绘制，采用4096色

显示，色彩还原率高，波形显示清晰，无明显色差。

图9

通过时序表我们可以计算得出VGA时序所需要的时钟频率，800*600分辨率60HZ频率计算下来时钟大约为50MHZ，因此我们在PLL里面设置我们的统一时钟皆为50MHZ，不采用不同频率时钟，防止跨时钟域带来的一些意想不到的奇怪问题，可以减少我们的调试量，将更多地经理放在算法上面。

我们采用图层的理念，因为使用判断语句就会有优先级的差别，因此在显示的时候也是会有一点差别，在进行波形显示的时候我，我们采用了一个小小的算法，就是将行扫描送到RAM中，讲读出来的数据与列扫描的数据判断进行显示。

d)DDS模块

图12

外部AD无法满足测控的时候可以选择备用DDS模块，可以产生正弦，三角，方波，送到AD模块直接进行处理显示，数据如图13,14,15所示。

-

DDS的基本结构主要由相位累加器、相位调制器、正弦波数据表(ROM)、D/A转换器构成。相位累加器由N位加法器N位寄存器构成。每来一个CLOCK，加法器就将频率控制字fword与累加寄存器输出的累加相位数据相加，相加的结果又反馈送至累加寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控

制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。

由此，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据作为波形存储器的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值进行找表查出，完成相位到幅值的转换。

使用工具软件绘制一个周期的正弦波，将保存好的数据建立一个COE文件。

图13

图14

图15

e)蓝牙数据传输

蓝牙（Bluetooth® ）：是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换（使用—的ISM波段的UHF无线电波）。

本次采用的是HC-05蓝牙模块，可以作为主机连接其他设备，也可以通过别的设备来连接自己。